高精度静力水准测量系统在桥梁变形监测中的应用

高精度静力水准测量系统在桥梁变形监测中的应用
作者：贾军；张涛；






    桥梁作为交通枢纽和控制节点，其重要性不言而喻。但由于桥梁结构引起的事故频发，对桥梁的健康监测显得重要和迫切，而桥梁变形监测是桥梁健康监测的重要组成部分。桥梁变形监测传统的方法主要有全站仪、水准仪测量和加速度计的测量。近些年随着技术的不断发展，GPS 技术和 D-InSAＲ ( 差分合成孔径雷达) 技术等桥梁变形监测在桥梁变形领域内的应用日益广泛，但 GPS 技术测量技术存在前期投入成本高，精度差等缺点，而 D-InSAＲ ( 差分合成孔径雷达)技术仪器布设较为困难，且易受温度、湿度等其他外界条件的影响。静力水准仪系统具有测量精度高、可实现实时监测、受外界环境影响小和使用范围广等优点，目前国内在工程领域的应用主要集中于大坝、高铁、桥梁变形监测、隧道的沉陷监测，系统具有稳定性好、测量精度高、自动化程度高等特点。

    静力水准仪的传感器选用磁致伸缩式传感器，该传感器具有测量范围大、精度高、分辨率高和稳定性好等技术特点。所有的传感器从均充满液体，各个传感器通过通液管进行连接，由于连通器原理，传感器中的液体位于同一水平面上。当其中某一个测点高程发生变化时，会引起相应的液位变化，液位的变化被传感器感知并测量，即可获得该点高程的变化。除了传感器之外，静力水准仪传感器系统中还包括无线信号发射器等，可以实现实时监测，实时发送数据等功能。其工作流程为: 静力水准仪传感器测得的数据被通过 BGK — Micro — 40 测量单元读出，BGK — Micro —40 测量中设有数模转器，将输出的电压或电流信号转换为数字信号并存储在测量单元的 CPU 中，等到时钟命令进行发送，数据的传输可以通过 ＲS —485 或者无线网络两种方式发送至电脑端进行数据处理。 

   
    匝道桥施工会对既有桥梁产生施工扰动，通过对既有桥梁的监控监测，及时掌握匝道桥施工对既有桥梁的影响，分析既有桥梁的稳定性，便于采取相应的措施，保证整个施工过程，以便引导正确施工。本次桥梁变形监测的主要内容有: ①通过对基础沉降及墩顶偏位的长期观测，观测既有桥梁在施工过程中有无沉降发生 ( 特别是不均匀沉降) 。② 通过对桥面线形进行观测，掌握桥梁线型变化情况，并根据桥面线形的测试结果推断梁体有无出现下挠，整体刚度有无出现弱化。挠度是桥梁结构重要及直观的指标之一，保证匝道桥施工过程中既有桥梁结构的运营。

    线形的变位情况，建立相应的平面和高程控制网。观测点分为基准点、工作基点和线形 ( 变形) 观测点。其布设应符合下列要求: ①本桥至少应有 3个稳固可靠的点作为基准点; ②工作基点应选在比较稳定的位置。对通视条件较好或观测项目较少的桥梁结构，可不设立工作基点，在基准点上直接测定变形观测点; ③线形 ( 变形) 观测点应设立在结构上能反映变形特征的位置; ④水准基准点，应埋设在变形区以外的基岩或原状土层上，亦可利用稳固的建筑物、构筑物，设立墙上水准点。当受条件限制时，在变形区也可埋设深层金属管水准基准点。本次共对新建 A 匝道与绕城高速匝道 6 连接处的既有桥梁、新建 A 匝道桥台处的绕城高速匝道 7 上的既有桥梁和新建 A 匝道桥台处的绕城高速匝道 9 上的既有桥梁共三个工作面进行测量，其安装两种方式进行。 

    静力水准仪系统的测量频率可根据需要进行自由设定。本次的监测频率为 4 次 /d，分别为 0: 00、 6: 00、12: 00、18: 00。每个测点获得 80 组测量数据，在 20 d 的使用过程中，没有出现数据丢失、数据发送延迟等情况，说明静力水准仪系统具有较好的稳定性。为方便进行数据分析，选取具有代表性的线性测点 1、5、9 和基础沉降测点 4、 5 进行分析，将每个测点每天获得的四组数据求取通过上图可以获得每个测点的变形值的曲线走

向和趋势相同，即监测前期桥梁变形较为迅速，随着时间的推移，在 4 月 1 日左右选取的 5 个测点的变形值达到稳定，这与实际相符。横向对比线性测点 1、5、9，三个测点虽然位于桥梁的不同跨上，但是由经验可知线性测点 1 的变形应大于线性测点5 和线性测点 9、线性测点 5 和线性测点 9 的变形值接近。通过分析上表，则也是与实际相符的。线性点 1、线性测点 5 和线性测点 9 的变形值稳定在 4. 026、7. 320、1. 916 mm。基础沉降测点 4和 5 两者变形值走向和数据差别较小却变形较小，这与两个测点位于桥墩上有直接关系。分析上表也可得出，静力水准仪系统在测量过程中没有产生数据的奇异点，说明静力水准仪系统较为可靠。

    为了进一步分析静力水准仪系统的精度，将静

力水准仪系统测得的数据与全站仪测得的数据进行分析对比，通过分析我们可知，静力水准仪系统与

全站仪测量数据高度吻合，两者误差相差较小，静力水准仪系统的敏感度较高，可达 0. 01 mm。其中线性测点 1、线性测点 2 和基础沉降测点 4 出现的误差值分别为 0. 148、0. 276、0. 175 mm。横向对比三个测点的实测数据，线性测点 1 精度高、基础沉降测点 4 次之、线性测点 2 差，三个测量静力水准仪系统和全站仪测量数据的差值大多小于 0. 15 mm。

    针对目前桥梁变形监测存在精度差、不能实现实时监测等缺陷，将静力水准仪系统引入桥梁变形监测领域; 从传感器、多点测量和系统架构三个角度对静力水准仪系统进行介绍; 结合对昆明市虹桥路既有桥梁变形监测，详细介绍了静力水准仪传感器的布置原则和方法; 通过对长达 20 d 的监测数据进行分析并将监测数据与静力水准测量进行横向对比，可知静力水准仪系统具有精度可达 0. 3 mm、分辨率可达 0. 1 mm，同时具有稳定性好、自动化程度高、受外界环境影响小等特点，比较适用于桥梁变形监测，具有较高推广价值。






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